利用 51 定時器生成 PWM

1 PWM 簡介

PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）是按一定規律改變脈沖序列的脈沖寬度，以調節輸出量和波形的一種調制方式。

在控制系統中最常用的是矩形波 PWM 信號，在控制時需要調節 PWM 波占空比。如下圖所示，占空比是指高電平持續時間在一個周期時間內的百分比。控制電機的轉速時，占空比越大，速度越快，如果全為高電平，占空比為 100% 時，速度達到最快。

當用單片機 I/O 輸出 PWM 信號時，可采用以下三種方法：

• 利用軟件延時。當高電平延時時間到時，對 I/O 口電平取反變成低電平，再延時；當低電平延時時間到時，對該 I/O 口電平取反；如此循環，就可得到 PWM 信號。
• 利用定時器。控制方法同上，只是利用單片機的定時器來定時進行高、低電平的翻轉，而不用軟件延時。
• 利用單片機自帶的 PWM 控制器。

2 定時器的應用

單片機的周期

• 時鐘周期，也成為振蕩周期，定義為時鐘頻率的倒數（單片機外接晶振的倒數，如 12MHz 晶振的時鐘周期就是 1/12 us）。它是單片機中最基本、最小的時間單位。在一個時鐘周期內，CPU 僅完成一個最基本的動作。
• 狀態周期：時鐘周期的 2 倍。
• 機器周期 $T_{cy}$：單片機的基本操作周期，在一個操作周期內，單片機完成一項基本操作。如取指令、存儲器讀/寫等。機器周期由 12 個時鐘周期（ 6 個狀態周期）組成。
• 指令周期：指 CPU 執行一條指令所需的時間。指令周期一般包含 1 ~ 4 個機器周期。

定時器/計數器本質

定時器/計數器的本質是加 1 計數器（16 位），有高 8 位和低 8 位 2 個寄存器組成。TMOD 是定時器/計數器的工作模式寄存器，確定工作方式和功能，TCON 是控制寄存器，控制 T0、T1 的啟動和停止及設置溢出標志。

加 1 計數器輸入的計數脈沖的來源：

• 一個由系統的時鐘振蕩器輸出脈沖經 12 分頻后送來
• 一個由 T0 或 T1 引腳輸入的外部脈沖源，每來一個脈沖計數器加 1。

當加到計數器全為 1 時，在輸入一個脈沖就使計數器回零，且計數器的溢出使 TCON 寄存器中 TF0 或 TF1 置 1，向 CPU 發出中斷請求。如果定時器/計數器工作于定時模式，則表示定時時間已到；如果工作于計數模式，則表示計數值已滿。

定時器定時時間：計數值 $N$ × 機器周期 $T_{cy}$。

定時器初值

溢出時計數器的值減去計數初值才是加 1 計數器的計數值。

定時器一旦啟動，它便在原來的數值上開始加 1 計數，若在程序開始時，沒有設置 TH0 和 TL0，則默認是 0，假設時鐘頻率為 12MHz，12 個時鐘周期為一個機器周期，那么此時機器周期就是 1 us，計滿 TH0 和 TL0 就需要 $2^{16}?1$ 個數，再來一個脈沖計數器溢出，隨即向 CPU 申請中斷，因此溢出一次共需 65536us，約 65.5ms。

如果想要定時 50 ms，那么就需先給 TH0 和 TL0 裝入一個初值，在這個初值的基礎上計 5000 個數后，定時器溢出，此時剛好就是 50ms 中斷一次。當需要定時 1s 時，我們可以產生 20 次 50ms 的定時器中斷后，便認為是 1s。

定時器初值計算方法

當用定時器的方式 1 時，設機器周期為 $T_{cy}$，定時器產生一次中斷的時間為 $t$，那么需要計數的個數為 $N=t/T_{cy}$，裝入 THX 和 TLX 中的數分別為：

$$THX=(65536?N)/256$$
$$TLX=(65536?N)\%256$$

3 示例-舵機的驅動

舵機的原理

舵機的控制信號，一般是脈寬調制（PWM）信號，如下圖，反映了 PWM 信號和舵機轉動角度的關系，可以簡單的理解為，通過給舵機通電的時間控制，結合角度傳感器的反饋信號檢測和控制，實現了舵機的精確角度控制。

舵機的控制信號周期為 20ms 的脈寬調制信號（PWM），其中脈寬從 0.5ms ~ 2.5ms，相應的舵盤位置從 0 ~ 180度，呈線型變化。也就是說，給舵機提供一定的脈寬，輸出軸就會保持一定的對應角度，無論外接轉矩怎么改變，直到提供另外一個脈沖信號，才會改變輸出角度到新的對應的位置上。

舵機內部有一個基準電路，產生周期為 20ms，寬度為 1.5ms 的脈沖信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號相比較，判斷出方向和大小，從而產生電機的轉動信號。

伺服電動機的周期通常為 20ms，希望以 50Hz 的頻率產生脈沖。

180 度電機與 360 度電機

360 度舵機與一般舵機的區別是：給一般舵機一個 PWM 信號，舵機會轉到一個特定角度，而給 360 度舵機一個 PWM 信號，舵機會以一個特定的速度轉動，類似與電機。但與電機不同的是，360 舵機是閉環控制，速度控制穩定。

PWM 信號與 360° 舵機轉速的關系：

• 0.5ms ———— 正向最大轉速
• 1.5ms ———— 速度為 0
• 2.5ms ———— 反向最大轉速

利用 51 單片機驅動舵機

通過上述分析，可以得出 1ms 對應 90°，那么 0.1ms 對應 9°。由于驅動舵機的控制信號周期為 20ms，可以將 20ms 的周期信號分為 200 份，那么 1 份代表 0.1ms，相對應舵機的轉角為 9°。

因此，將定時器中斷一次的時間設定為 0.1 ms，即定時時間為 0.1ms。采用定時器 1 工作方式 2（8 位初值自動重載）。

• 計算定時器初值
• 機器周期 $T_{cy}=12\times 1/(11.0592\times 10^6)s$ 約等于 $1.0851us$
• 定時時間 $t=0.1ms$
• 計數值 $N=t/T_{cy}=0.1ms/1.0851us=92$
• 裝入 THX 和 TLX 的數為：$THX=TLX=256?92=164$
• 代碼

void T1_Init(void) {TMOD &= 0x0F; //設置定時器模式TMOD |= 0x20; //設置定時器模式 TH1 = 164; //設置定時初始值TL1 = 164; //設置定時重載值TF1 = 0; //清除TF1標志TR1 = 1; //定時器1開始計時 }

總結

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